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SOBRE EL PROYECTO

Este proyecto, “Apoyo a la Implementación de Paisajes Rurales Climáticamente Inteligentes en Colombia”, emprende una iniciativa científica integral para comprender y anticipar los profundos impactos del cambio climático en los recursos hídricos a lo largo de seis regiones vitales: Boyacá-Santander, Caribe-Occidental, Caribe-Oriental, Cauca-Nariño, Meta-Vichada y Tolima-Huila.

Nuestro trabajo es un testimonio de metodologías de vanguardia y modelado integrado, diseñado para empoderar a los tomadores de decisiones con información sólida para un futuro resiliente. Nos hemos sumergido profundamente en la intrincada dinámica del agua, tanto superficial como subterránea, para ofrecer una imagen clara de los desafíos y oportunidades hasta el año 2050.

Lo Que Hicimos: Desvelando el Futuro del Agua

Nuestro enfoque fue meticulosamente estructurado, combinando diversas fuentes de datos y herramientas analíticas avanzadas:

1. Construyendo los Cimientos: Datos Hidroclimáticos y Herramientas de Modelado Avanzado

• Comenzamos reuniendo y depurando minuciosamente datos hidroclimáticos, integrando observaciones de estaciones locales con productos satelitales y de reanálisis de última generación (como CHIRPS, MSWEP y MSWX). Esto nos permitió superar la escasez de datos y asegurar una alta resolución espacial y temporal para la precipitación y la temperatura.
• La evapotranspiración, un componente crucial del balance hídrico, se estimó con precisión utilizando métodos como Hargreaves-Samani y Penman-Monteith, mejorados por técnicas avanzadas de fusión de datos (RF-MEP).
• Para las simulaciones hidrológicas, seleccionamos WEAP (Water Evaluation And Planning), una plataforma de modelado integrada y robusta. Esta elección fue estratégica, permitiéndonos representar las complejas interacciones entre los procesos hidrológicos naturales y las actividades humanas dentro de las cuencas, incluyendo las operaciones de infraestructura y las diversas demandas de agua.

2. Caracterizando el Presente: Líneas Base Hidroclimáticas e Hidrogeológicas

• Realizamos una caracterización exhaustiva de los patrones hidroclimáticos de la región Cauca-Nariño, analizando datos de precipitación, temperatura y caudal. Esto implicó un riguroso control de calidad, detección de valores atípicos y análisis de homogeneidad para establecer líneas base históricas fiables (1982-2022).
• Simultáneamente, mapeamos y clasificamos los sistemas hidrogeológicos de la región basándonos en estándares internacionales, identificando los tipos clave de acuíferos (intergranulares, fracturados y de recursos limitados) y sus dinámicas de flujo inherentes. Esto proporcionó una comprensión crucial del potencial de las aguas subterráneas y su interacción con las aguas superficiales.

3. Simulando el Pasado: Desarrollo y Validación del Modelo Hidrológico

• Utilizando el “Método de Humedad del Suelo” de WEAP, desarrollamos modelos hidrológicos para cada región, integrando datos de cuencas, municipios, tipos de suelo y coberturas terrestres, permitiendo una simulación altamente detallada del movimiento del agua.
• Nuestros modelos se sometieron a rigurosos procesos de calibración y validación (utilizando algoritmos como DDS y métricas como KGE) contra datos históricos de caudal. Esto aseguró que los modelos representaran con precisión el comportamiento hidrológico del mundo real, brindando confianza en sus capacidades predictivas.
• También cuantificamos la demanda histórica de agua en sectores clave: agricultura (identificando el consumo de agua específico por cultivo y la eficiencia del riego), pecuario (considerando las necesidades de agua de los animales) y agua potable (reflejando el crecimiento de la población y la expansión urbana).
• Se calcularon indicadores clave del agua como el Índice de Regulación y Retención Hídrica (IRH), el Índice de Uso del Agua (IUA) y el Índice de Vulnerabilidad al Desabastecimiento Hídrico (IVH) para el período histórico, ofreciendo una evaluación de referencia del estrés hídrico y la salud de los ecosistemas.

4. Proyectando el Futuro: Escenarios de Cambio Climático y Análisis de Impactos

• Aprovechando las proyecciones del Sexto Informe de Evaluación del IPCC (AR6-IPCC), específicamente los escenarios SSP2-4.5 (emisiones moderadas) y SSP5-8.5 (emisiones altas) para el período 2040-2070, generamos los insumos climáticos futuros (precipitación y temperatura) para nuestros modelos hidrológicos.
• Estos escenarios climáticos futuros se incorporaron en los modelos WEAP calibrados para simular sus impactos en la disponibilidad y demanda de agua. Analizamos los cambios proyectados en la Oferta Hídrica Total Superficial (OHTS), y el comportamiento futuro del IRH, IUA y IVH.
• Para una visión holística, integramos los conocimientos del modelo DynQual para evaluar la calidad del agua bajo diferentes condiciones hidroclimáticas, incluyendo el impacto de contaminantes (como coliformes fecales, DBO y sólidos suspendidos) en los índices de calidad del agua.
• Un elemento crítico fue el análisis de la dinámica de las aguas subterráneas: analizamos datos satelitales (GRACE-GLDAS) para identificar anomalías en las aguas subterráneas y calculamos las tasas de recarga potencial. Esto nos permitió comprender cómo el cambio climático podría afectar el almacenamiento y la disponibilidad de las aguas subterráneas.

5. Forjando Resiliencia: Proponiendo Medidas de Adaptación

• Basándonos en el análisis exhaustivo de las condiciones hídricas presentes y futuras, identificamos áreas críticas que enfrentan un aumento del estrés hídrico o la vulnerabilidad.
• Para estas áreas, propusimos medidas de adaptación específicas, que incluyen:
  • Recarga Artificial de Acuíferos (RAA): Técnicas para reponer intencionalmente las reservas de agua subterránea, utilizando el excedente de agua superficial para amortiguar los períodos secos.
  • Uso Eficiente de Aguas Subterráneas Someras: Promover la explotación sostenible de acuíferos poco profundos y la construcción de sistemas locales de recolección de agua (por ejemplo, aljibes o pozos).
  • Gestión de la Intrusión Salina: Estrategias específicas para las regiones costeras para proteger los acuíferos de agua dulce de la contaminación por agua salada debido al aumento del nivel del mar y la sobreexplotación.
  • Uso Eficiente del Agua Agrícola: Implementación de técnicas de riego avanzadas, diversificación de cultivos y mejores prácticas de gestión del agua para reducir la demanda de agua en la agricultura.
  • Explotación de Medios Fracturados: Explorar el potencial del agua almacenada en formaciones rocosas fracturadas como una fuente de agua confiable, especialmente en áreas con disminución de las aguas superficiales.
• Nuestras recomendaciones también enfatizan la importancia de la gobernanza, el desarrollo de capacidades y el monitoreo continuo para asegurar que estas estrategias de adaptación sean efectivas y sostenibles.

Esta investigación pionera es un recurso vital para la planificación regional, la priorización de inversiones y el desarrollo de estrategias de adaptación para construir resiliencia climática en el sector hídrico de Colombia. Es un paso proactivo para salvaguardar este recurso invaluable para las comunidades y los ecosistemas en un clima cambiante.

Figura 1. Localización estaciones climatológicas

Figura 2. Localización estaciones hidrológicas

Mapa

Mapa

Resultados Caudales

La información de caudal obtenida a partir de las mediciones de nivel en cuerpos loticos es útil para caracterizar el comportamiento hidrológico de las corrientes al interior de la región Cauca-Nariño. Adicionalmente, esta información es utilizada en modelación hidrológica para la calibración de los parámetros que definen los procesos modelados.

Para esta variable no se siguió la clasificación en clústeres utilizada para las variables climáticas, dado que la dinámica espacial de esta depende de procesos hidrológicos y geomorfológicos. Sin embargo, la característica acumulativa de la variable permite su agrupación en rangos altitudinales en los que es posible diferenciar la magnitud y el comportamiento interanual de los caudales. Esta región con una variación en la elevación de entre 80 y 3000 msnm, se clasificó las estaciones en rangos de 500 msnm. Con un total de 6 rangos altitudinales, es evidente la variación en la magnitud de los caudales desde las elevaciones superior con caudales más bajos, hasta las menores elevaciones con caudales significativamente superiores (ver Figura 3). Adicionalmente, para los caudales medios se destaca que en la medida que se desciende se hace más evidente el régimen bimodal con picos de caudal en los periodos abril-mayo y octubre-noviembre, mientras que en algunos rangos altitudinales el régimen tiende a ser unimodal.

Para cada una de las estaciones hidrométricas disponibles en la región se construyeron diagramas de cajas y bigotes para caracterizar el comportamiento mensual multianual en metros cúbicos por segundo como se muestra en la Figura 4. Los gráficos generados para las demás estaciones se encuentran disponibles en el Anexo 9 del informe final.

Disponibilidad de información

La disponibilidad de información referida a la cantidad y dispersión de los datos en las series de caudal requirió en primer lugar la estimación del número de datos faltantes en cada mes en cada una de las estaciones. En la Figura 5 se representa la disponibilidad de información con base en la cantidad de faltantes que se tiene para cada mes de registro en el periodo de análisis para aproximadamente 25 estaciones hidrométricas.

Para analizar la disponibilidad de información diaria de caudal se realizó el conteo de datos disponibles en cada uno de los días del periodo de análisis (ver Figura 6). Para la región existe una disponibilidad de entre 10 y 50 estaciones diarias. El menor número de estaciones se encuentra al final del periodo de análisis y durante un corto periodo de tiempo alrededor de los años 2015-2016 en donde se llega a tener menos de 20 estaciones disponibles. Adicionalmente, es evidente una tendencia decreciente en la disponibilidad de la información a partir del año 2000.

Evaluación de datos atípicos

Se contabilizó la cantidad de datos atípicos de caudal en cada mes y se estimó la mediana para cada uno de los grupos (bajos y altos). Para cada estación se generaron gráficos como el de la Figura 7, los cuales se encuentran disponibles en el Anexo 9.

Homogeneidad y tendencia de las series

La prueba de Pettitt fue aplicada sobre cada una de las series mensuales de temperatura y adicionalmente, se calculó la media móvil en una ventana de 12 meses para verificar la existencia de alguna tendencia en las series. La Figura 8 presenta el resultado de la prueba para una estación. Las figuras generadas para la totalidad de las estaciones se encuentran disponibles en el Anexo 9.

De esta manera para estación 26037030 perteneciente al río Hondo se identificó un punto de cambio en el año 2004, con un incremento en la media para el periodo posterior este año de aproximadamente 1.4 m3/s respecto al periodo 1982-2004.

Figura 3. Caracterización de caudales mensuales multianuales en rangos altitudinales

Figura 4. Caracterización del régimen mensual multianual de caudales

Figura 5. Disponibilidad de información de caudales medios diarios

Figura 6. Número de estaciones de caudal disponibles en el periodo de análisis

Figura 7. Datos atípicos en la estación 23167010

Figura 8. Resultados prueba de homogeneidad de Pettitt

Coberturas de la Tierra

Gráfico Sunburs

Introducción

Con el ánimo de comprender cómo la disponibilidad del agua en la región Cauca-Nariño se puede ver afectada por diversos escenarios de cambio climático para el período 2040 – 2070, se evaluaron las condiciones climáticas resultantes de los Modelos de Circulación General (GCM por sus siglas en inglés) del Sexto Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental de Cambio Climático (AR6-IPCC por sus siglas en inglés). En particular, se consideraron los GCM que cuentan con información de precipitación y temperaturas media, mínima y máxima, además de estar disponibles para los cuatro escenarios prioritarios del AR6-IPCC (SSP 1-2.6, SSP 2-4.5, SSP 3-7.0 y SSP 5-8.5), como se presentó en Producto B2 de esta consultoría, resultando en un total de 20 GCM y 4 escenarios SSP.

En esta sección se presentan los resultados de las proyecciones climáticas para la región Cauca-Nariño a partir de los GCM, la representatividad local de los GCM y la priorización de estos para la definición de los ensambles hidrológicos.

Proyecciones climáticas

Las Figura 9 a Figura 12 muestran la distribución espacial de los cambios promedio en precipitación, temperatura media, mínima y máxima. Los cambios en precipitación en el escenario SSP 1-2.6, si bien muestra un promedio de +0.6 %, la zona sur muestra cambios mayores (aumento menor a 5 %) que en el resto de la región (cambio menor a 2.5 %). Este patrón se mantiene en los otros escenarios, sin embargo, tiende a cambios más negativos para los escenarios más pesimistas. En cuanto a las temperaturas, en el escenario SSP 1-2.6 tiende a haber un cambio homogéneo a lo largo de la región, pero para los escenarios más pesimistas, los cambios se acentúan hacia el este. En este sentido, las proyecciones indican que el este de la región presentaría condiciones más adversas asociadas a una mayor disminución en la precipitación y mayor aumento en la temperatura.

Figura 9. Cambio medio proyectado para la precipitación anual

Figura 10. Cambio medio proyectado para la temperatura media

Figura 11. Cambio medio proyectado para la temperatura mínima

Figura 12. Cambio medio proyectado para la temperatura máxima

IRH

La estimación del IRH para la región Cauca-Nariño se presenta en la Figura 13. al lado izquierdo de la figura se puede ver la distribución espacial de las categorías obtenidas por el índice, los valores obtenidos para cada una se las cuencas se pueden ver en las etiquetas de cada polígono. En esta figura se evidencia el predominio de la condición de regulación y retención alta a lo largo de toda la cuenca con unas pocas excepciones, pero siempre se tiene una condición de regulación como mínimo moderada.

En el costado derecho de la Figura 13 se puede ver el porcentaje de las cuencas clasificadas por cada categoría del IRH, resaltándose que ninguna de las cuencas de la región Cauca-Nariño clasificó con un IRH Muy alto o Muy Bajo. La mayoría de las cuencas (56 %) se encuentran en el rango Alto, que indica que tienen una buena capacidad para retener y regular el agua, lo que es beneficioso para mantener flujos constantes en ríos, recargar acuíferos y mitigar inundaciones. La segunda categoría con mayor representación es la Moderada con 35 % del total, lo que puede ser suficiente en condiciones normales, pero podrían enfrentar dificultades en situaciones extremas. Final el 9% se encuentra en condición baja, es decir que tienen una capacidad limitada para retener y regular el agua, lo que las hace más vulnerables a sequías, inundaciones y otros problemas relacionados con la gestión del agua.

IUA

Previo al cálculo del IUA se estimó el caudal ambiental (Figura 14 sup) para cada una de las cuencas analizadas, esta variable se presenta en unidades de Hm3año-1 con el fin de hacerla comparable con las demás variables requeridas dentro del cálculo del IUA. Para la región Cauca - Nariño el Q ambiental varía entre 7 y 7562 Hm3año-1, los valores más altos se observan hacia el occidente de la región, y los valores más bajos constituyen a las cuencas altas, comportamiento esperado ya que los caudales totales más altos se acumulan hacia la desembocadura de los ríos.

Adicionalmente, se estimó la OHTS (Figura 14 inf), cuyo comportamiento espacial es similar al del caudal ambiental. Para la región Cauca-Nariño, esta variable se presenta entre 20 y 15971 Hm3año-1, es decir, que el rango máximo duplica los máximos de caudal ambiental.

El IUA para la región Cauca-Nariño se muestran en la Figura 15, la categoría que predomina es el uso Muy Bajo, el cual representa el 64% del total de cuencas ubicadas en el occidente de la región, lo que coincide con las cuencas con mayor retención y regulación. El 31% de las cuencas se categorizó en el uso bajo, donde la mayoría de las cuencas se localizan en las medias de la región. Es necesario resaltar, que se encontraron 4 cuencas en condición crítica de uso (5% del total). Finalmente, es importante enfatizar que no hay cuencas categorizadas con uso crítico, muy alto o alto.

La mayoría de las cuencas tienen un IUA clasificado como Muy bajo (por ejemplo, C01, C02, C04, C05, etc.). Esto indica que la demanda de agua es muy baja en comparación con la oferta disponible, lo que sugiere que estas cuencas tienen un exceso de agua disponible en relación con su uso actual. Algunas cuencas tienen un IUA Bajo (por ejemplo, C03, C06, C07, etc.), lo que indica que la demanda de agua es baja en comparación con la oferta, pero no tan extrema como en las cuencas con IUA “Muy bajo”. Unas pocas cuencas tienen un IUA Moderado (por ejemplo, C12, C24, C27, etc.), lo que sugiere un equilibrio más cercano entre la demanda y la oferta de agua. Estas cuencas podrían estar en una situación de gestión hídrica más desequilibrada, pero aún con margen para actuar.

IVH

Los resultados del IVH para la región Cauca-Nariño se presentan en la Figura 16. En general, en la región Cauca - Nariño predomina una Baja vulnerabilidad al desabastecimiento para la condición base evaluada (40 cuencas – 52 % del total), la siguiente categoría con mayor dominancia es Muy Baja con 31 cuencas (40 %), y en categoría media se tienen 6 (8 %), este resultado corresponde a las bajas demandas de agua que se tiene en estas cuencas y sugiere condiciones relativamente buenas de recursos hídricos en la mayor parte de la región. Ninguna cuenca se clasificó con vulnerabilidad alta o muy alta, lo anterior indica que en la región el uso del agua no ha superado la regulación-retención y la relación oferta-demanda en el periodo base.

Figura 13. Índice de Retención y Regulación Hídrica

Figura 14. Caudal Ambiental

Figura 15. Índice del uso del agua

Figura 16. Índice de vulnerabilidad al desabastecimiento superficial

IRH

La Figura 17, contiene información sobre el comportamiento del Índice de Regulación y Retención Hídrica (IRH) en distintas subcuencas bajo dos escenarios de cambio climático: SSP2-4.5 y SSP5-8.5. Los valores representan el cambio porcentual con respecto al escenario de referencia, donde valores positivos indican una mejora en la regulación y retención hídrica, mientras que valores negativos señalan un deterioro.

OHTS

Continuando con la caracterización de la oferta hídrica, se introduce el Índice de Oferta Hídrica Total Superficial (OHTS). Este índice cuantifica el volumen total de agua superficial disponible en cada subcuenca. Representa la cantidad bruta de agua que fluye en ríos, arroyos y otros cuerpos de agua superficial, constituyendo la base del recurso hídrico disponible. Comprender la distribución espacial de este índice y cómo se modifica ante el cambio climático es esencial para evaluar el potencial hídrico de cada subcuenca y anticipar posibles déficits o excedentes en la oferta de agua. La Figura 18, ilustra el cambio porcentual de este índice, comparando escenarios de cambio climático con los valores de referencia. Un valor positivo y distante de cero señala una mejora notable del índice, mientras que un valor negativo indica un deterioro considerable.

IUA

La Figura 19, ilustra espacialmente el Índice de Uso del Agua (IUA) en las subcuencas. Los mapas de la columna izquierda presentan el IUA bajo el escenario de cambio climático SSP2-4.5, mientras que los de la columna derecha corresponden al escenario SSP5-8.5. En cuanto a las filas, la superior muestra el IUA para el percentil 5%, representando condiciones de uso de agua menos severas; la fila central para el percentil 50%, indicando un uso más probable; y la fila inferior para el percentil 95%, reflejando condiciones de uso de agua severas. A continuación, se destacarán los patrones espaciales más relevantes y las implicaciones del comportamiento del IUA en cada uno de estos escenarios de cambio climático para las condiciones indicadas.

IVH

Finalmente, para complementar la visión de la dinámica hídrica, se introduce el índice de vulnerabilidad hídrica por desabastecimiento (IVH) desarrollado por el IDEAM. Este índice evalúa la susceptibilidad al desabastecimiento del agua superficial de cada unidad hidrográfica de análisis, considerando factores como el uso del agua (i.e., socioeconómicos) y la capacidad de regulación hídrica. Un alto índice de vulnerabilidad señala áreas donde los recursos hídricos son más frágiles y susceptibles al estrés, haciendo prioritario implementar medidas de adaptación y gestión (Figura 20).

Figura 17. Índice de regulación y retención hídrica (CC)

Figura 18. Índice oferta hídrica total superficial (CC)

Figura 19. Índice de Uso del Agua (CC)

Figura 20. Índice de vulnerabilidad hídrica por desabastecimiento (CC)